מעבדות מחקר

המחקר במעבדה מתמקד בתחום המיקרוביולוגיה הסביבתית, בסביבת האוויר. אנחנו שואלים שאלות הנוגעות לפוטנציאל הבריאותי של מיקרובים המופצים באויר ואיך הוא יכול להשתנות בעקבות חשיפה לגורמים שונים בסביבתו. אנו מעוניינים להבין שאלות בסיסיות הנוגעות להשרדות מיקרובים בזמן הפצתם האוירית, ומה הגורמים שישפיעו על כך.

במחקר אנו משתמשים במגוון שיטות הכוללות דיגום בשטח במגוון שיטות, סימולציות מעבדתיות ומישמים כלים בתחום הביולוגיה המולקולרית, האימונולוגיה, המיקרוסקופיה והכימיה על מנת לאפיין את הדוגמאות במעבדה.

על ידי שילוב הממצאים שלנו עם פרמטרים סביבתיים, שנאספים מלוויינים, תחנות מטאורולוגיות וממודלים, אנו נותנים משמעות סביבתיות לתוצאות שלנו.

המחקר שלנו מאפשר הבנה והיערכות נכונה לשינויים בתפוצה ובפעילות מיקרוביאלית, שעלולים להתבטא כתוצאה משינויי אקלים ושינויים אנטרופוגניים.

הדינמיקה של זרימה, ריאקציה כימית ומעוות בתווך נקבובי מתרחשת סביבנו באופן יומיומי. האדמה תחת רגלינו, בה מים מחלחלים ומשתנים מבחינה כימית, הזיהום שזורם באקויפרים מהם אנו שואבים מים לשתייה ואף שינויי לחצים שגורמים לרעידות אדמה, כולם דוגמאות לתהליכים שמתרחשים בתווך נקבובי, ונשלטים על ידי הנקבוב. במעבדת ה- PMV (Porous Media Visualized) אנו מחליפים את האדמה והסלע בחומר נקבובי שקוף שפותח במעבדה ודרכו אנחנו יכולים לראות את כלל התהליכים הללו ברמת הנקבוב. כך אנו מכמתים בצורה ישירה את תהליכי הזרימה, ריאקציה ומעוות של תווך נקבובי ומסיקים מזה על תהליכים המתרחשים באקויפרים ובאדמה. המעבדה מתמחה בשיטות מיקרוסקופיה מתקדמות וטכנולוגיות משוכללות שמאפשרות מחקר מוטה נתונים. בנוסף, המעבדה עוסקת בשיטות אנליזה כגון Image analysis, Big Data וכן תכנות ושיכלול של שיטות נומריות וסטטיסטיות על מנת לתאר את הממצאים שלנו.
אנחנו מחפשים אנשים שלא נרתעים מללמוד דברים חדשים ומוכנים לדחוף את שיטות המחקר שלנו לגבהים חדשים בחקר הסביבה.

המחקר במעבדה עוסק בשאלות בסיסיות הקשורות לייצור בר-קיימא של אנרגיה ומים. אנו מתמקדים בהבנת תהליכים כימיים-פיסיקליים וביולוגיים המתרחשים במימדים מיקרוסקופיים, והשפעתם על תהליכים הנדסיים. אנו משתמשים במגוון כלים ניסויים, תאורטיים וחישוביים בכדי לפענח מנגנונים ומציאת הסברים לתופעות מורכבות. התובנות הללו מספקות בסיס לשיפור יעילות אנרגטית של תהליכים הנדסיים קיימים, או פיתוח שיטות וגישות חדשות לביצוע תהליכי הפרדה והמרת אנרגיה.

פעילות המחקר הנוכחית מערבת טכנולוגיה מבוססת ממברנות לטיהור והתפלה של מים ממקורות שונים. מגוון רחב של נושאים כגון תהליכי הווצרות של ממברנות והשפעתם על מבנה ותפקוד, סתימה ואילוח של ממברנות ועוד. אנו בוחנים כיצד תהליכים אלו משפיעים על ביצועים תהליכיים ודרכים לשיפור, במטרה להפוך את תהליכי ייצור המים לזולים יותר וברי-קיימא.

תחום עיקרי וחדשני ביותר במעבדה עוסק בהמרת אנרגיה אקוסטית – שימוש בגלי קול כתחליף לחלקים נעים כגון בוכנות וטורבינות. הטכנולוגיה האקוסטית שאנו מפתחים מיועדת למגוון שימושים כגון קירור, הפרדה, שאיבת מים, התפלה וייצור חשמל – ממקורות חום בטמפרטורה נמוכה כגון חום סולרי.

במיוחד, אנו שואפים ליישם את התובנות המדעיות שלנו, כמו גם את הטכנולוגיות אותן אנו מפתחים, לשם מציאת פתרונות ברי-קיימא ויישומם במדינות מתפתחות.

אנו חוקרים תהליכים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים הקשורים למדיה נקבוביות (כלומר, קרקע) ובעיקר את התהליכים הפיזיקליים הקשורים לזרימה והובלת חומר. המחקר שלנו משלב מחקרים בקנה מידה של שדה ומעבדה עם מודלים ספרתיים ואנליטיים. נכון לעכשיו, אנו מתמקדים בשלושה תחומי מחקר עיקריים: (1) חקר האופן ההדדי שבו תכונות ותהליכים פיזיקליים של קרקע, ופעילות מיקרוביאלית, משפיעים זה על זה; (2) מחקר גיאואלקטרי של דפוסי הרטבה תת-קרקעיים בקנה מידה של שדה, כולל אזור השורשים מכיוון אחד, ומתקני טיפול קרקע-אקויפר מצד שני; ו-(3) החתימה הגיאואלקטרית של מזהמים ומומסים אחרים תוך תנועתם בקרקע. המטרה ארוכת הטווח שלנו היא לשלב מדידות גיאואלקטריות עם הבנה מלאה של התהליכים הפיזיקליים-ביולוגיים-כימיים המשולבים הקשורים לפירוק ביולוגי לשיפור שיקום קרקע ומי תהום.

קבוצת המחקר שלנו בהובלת פרופ' רזי אפשטיין שמה למטרה פיתוח של תהליכי הפרדה סלקטיביים למגוון תהליכים סביבתיים עם פוקוס על טכנולוגיה ממברנלית לטיפול במים והפקת אנרגיה.

.

המעבדה לכימיה של הקרקע והסביבה חוקרת את הגורל, התנועה והשינוי של מזהמים במערכות קרקע ומים, במטרה לפתח אסטרטגיות שיקום ברות קיימא. המחקר שלנו מתמקד בשילוב גישות מבוססות ספיחה עם פירוק כימי וביולוגי, במטרה לטפל במזהמים כגון חומרי הדברה, פחמימנים ומתכות כבדות. בנוסף, אנו מחפשים ומפתחים גישות ברות קיימא ליישום, שיקום ושימוש חוזר בנוטרינטים, וחומרים בעלי ערך כגון מינרלים ומתכות. אנו מתעניינים במיוחד בתהליכים המתרחשים בממשק קרקע-מים, כולל אינטראקציות קולואידיות עם פולימרים ואנזימים, ובשימוש במינרלי חרסית ובתחמוצות מתכת כמשטחים קטליטיים. בשילוב של כימיה סביבתית עם טכניקות אנליטיות מתקדמות – כולל מיקרוסקופיה, ספקטרוסקופיה ואפיון פני שטח – אנו שואפים ליצור פתרונות יעילים ומבוססי מדע לאתגרים סביבתיים.

.

על מנת להתמודד עם הביקוש הגובר בעולם למים, אנרגיה ומזון עולה הצורך להפחית את טביעת הרגל הפחמנית של ייצור המזון. במעבדה שלנו אנו משלבים מחקר בסיסי ויישומי כדי לפתח תהליכים ברי קיימא לטיפול בפסולת מוצקה. אנו משיגים זאת באמצעות שילוב טכנולוגיות ביולוגיות ותרמוכימיות לשם שיקום משאבים יקרי ערך מזרמי פסולת שונים לרבות פלסטיק, פסולת בעלי חיים, זרמי צד של תעשיית המזון ועוד.

From the media:

https://time.com/4842131/food-waste-climate-change-energy/

https://www.youtube.com/watch?v=akqDiy5EG7M

https://www.youtube.com/watch?v=ngBq19KDNt8

Google scholar: https://scholar.google.com/citations?user=1Uu3vqoAAAAJ&hl=en

המעבדה למים עירוניים משלבת מחקרי שדה, מעבדה, ושימוש במודלים.

המעבדה עוסקת במגוון תחומים ביניהם:

• ניתוח מקורות מים אלטרנטיביים כחלק מניהול בר-קיימא של מים במגזר העירוני
• תהליכים המתרחשים בצנרת ביוב עירונית
• מערכות אקסטנסיביות לטיפול בשפכים
• תהליכים המשפיעים על איכות מים באגני  היקוות: הדמיה, ניטור וניהול

המעבדה לטיפול במים, בראשות פרופ' אורי להב בטכניון, מתמקדת בפיתוח טכנולוגיות פיזיקוכימיות מתקדמות לטיפול במים ושפכים. המחקר במעבדה משלב תובנות בכימיה של מים עם הנדסה יישומית להתמודדות עם אתגרים בהתפלת מים, סילוק נוטריינטים, טיפול בשפכים, מערכות חקלאות מים סגורות (RAS) ועוד. תחומי המחקר המרכזיים כוללים שיפור יעילות התפלה באוסמוזה הפוכה, העשרת מים מותפלים במגנזיום, סילוק אמוניה באמצעים אלקטרוכימיים, טיפול במים בתנאים סופר-קריטיים, פיתוח גישות טיפול חדשניות למערכות חקלאות מים ושיפור תהליכי חימצון וחילוף יונים לצורך השבה ומיחזור של משאבים מזרמי מים טבעיים ותעשייתיים.

המחקר במעבדה מתמקד בתנועה רובוטית דינמית, מינימליזם ומערכות אוטונומיות בסביבות לא מובנות עם יישומים אזרחיים. זה כולל יישומים בכלי רכב אוטונומיים החשים התפשטות זיהום באוויר או בים, חיפוש והצלה, סיוע בעבודות בנייה ויישומים חקלאיים כגון קטיף.

המעבדה לעיבוד מידע סביבתי בטכניון ניצבת בחזית התחום המתפתח של אינפורמטיקה סביבתית. תחום בין-תחומי המוקדש לשילוב של בינה מלאכותית ושיטות למידת מכונה לצורך ניתוח מערכות סביבתיות מורכבות, הן בנויות והן טבעיות.

המטרה המרכזית של המעבדה היא לפתח אלגוריתמים מתקדמים של למידת מכונה, טכניקות מידול פיזיקליות ומסגרות הנדסיות, בשילוב עם מדעי המחשב וניתוח נתונים מרשתות חיישנים. גישה אינטגרטיבית זו מאפשרת חקירה מעמיקה של זרמי נתונים ממקורות סביבתיים מגוונים. למעשה, היסודיות המתודולוגית הזו מסייעת בשיפור ניכר של היעילות התפעולית, החוסן והקיימות של מערכות תשתיתיות ואקולוגיות גם יחד.

אנחנו עוסקים במגוון רחב של פעילויות בתחום החקלאות המדייקת, ובמיוחד:

• חישה קרובה וחישה מרחוק
• מודלים מתמטיים
• ניתוח נתונים

העבודה שלנו נתמכת במגוון רחב של חיישנים ופלטפורמות ניטור: מצלמות (RGB, ‏RGB-Depth, ‏Stereo, ‏Multispectral); ספקטרומטרים; FTIR ‏(Open-Path Fourier Transform InfraRed); מכ״מי חודר קרקע; כלי טיס זעירים בלתי מאוישים; זרועות רובוטיות ועוד.

רוב העבודה נעשית בשיתוף פעולה עם חוקרים מהפקולטה שלנו, מאוניברסיטת בן-גוריון ומהארגון לחקר החקלאות (מכון וולקני).

הפרויקט המרכזי הגדול ביותר שלנו כיום מתמקד בפיתוח פלטפורמה אוטונומית לניטור יבולים ולפנוטיפינג, כחלק מהמרכז הישראלי לחקלאות דיגיטלית.

המחקר במעבדה נפרס על פני התחומים הבאים:

• זיהום אוויר – פליטות ופיזור מזהמי אוויר, שיוך מקורות, ניתוח שונות בסקאלות מרחב-זמן שונות, אבק, רשתות חיישנים
• אירוסולים ופיסיקה של האטמוספירה – חישה מרחוק, זיהוי טביעות אצבע של אינטראקציות בין תהליכים מטאורולוגיים ואקלים לפיזור ויישון מזהמי אוויר
• קציר לחות מהאוויר
• מדע נתוני סביבה –  פיתוח ושימוש בכלים מתחום מדע הנתונים למחקרים אטמוספריים

המחקר במעבדה מתמקד בפיתוח מבנים נבונים עם יכולות חישה אינטגרטיביות למבנים ותשתיות אזרחיות. המחקר עוסק בפיתוח אלמנטים דקי דופן בעלי יכולות ניטור מובנות באמצעות חומרים מבניים מתקדמים. הרעיון החישני מבוסס על הטמעת מערכת שירון מוליכה חשמלית המשמשת בו זמנית כמערכת השריון וכמערכת הניטור. המחקר עוסק בבחינת היתכנות הקונספט למטרות שונות הכוללות ניטור מצב המבנה (זיהוי סדיקה ונזק) וניטור תפקודי (חילחול מים, נזילות וטמפרטורה).

מעבדה לחומרי מליטה חלופיים נוסדה במכון הלאומי למחקר בניינים (NBRI) על ידי ד"ר סמיון ז'וטובסקי בטכניון בשנת 2017 כדי לספק תשתית למחקר החדשני בתחום החומרים הצמנטיים שנמשך במשך מספר עשורים ב- NBRI  מאז הקמתו. בנוסף לתשתית מחקרית הקיימת של NBRI בתחום תכונות מכניות ועמידות של חומרים צמנטיים, המעבדה מספקת יכולות וידע במחקר טכנולוגיות בתחום ייצור צמנט, אופטימיזציה ופיתוח חומרים צמנטיים.

הנושאים העיקריים של המחקר הנוכחי שנערך במעבדה כוללים מיחזור פסולת בטון לצורך ייצור קלינקר צמנט פורטלנד חדש, ייצור צמנט פורטלנד מחומרים חלופיים להפחתת פליטת CO₂, ריפוי עצמי של חומרים צמנטיים, מחקר על אופטימיזציה של חומרים צמנטיים משלימים על ידי טכניקות שיפעול שונות והצירופים השונים שלהן בתערובות המשולשות ומרובעות, כמו גם ייצור חומרי מליטה חלופיים עם צריכת אנרגיה מופחתת ועקבות פחמן קטנות יותר כגון צמנט עשיר בליט, צמנט סידן-סולפט-אלומינט ובליט-יעלימיט-פריט.

כחלק מהמכון הלאומי לחקר הבניה בטכניון, המעבדה לבנייה וירטואלית ע"ש ססקין (VClab) מעסיקה חוקרים מצוינים מרחבי העולם המתמקדים בתחומים של מידול מידע על בניין (BIM), תאומים דיגיטליים (Digital Twins), בנייה רזה, ותיאום וחיבור בין התחומים השונים. המחקרים הנערכים במעבדה כוללים בין היתר: מערכות בקרת בנייה רזה המותאמות ל-BIM, פתרונות חדשניים בתחום יכולת הפעולה ההדדית ב-BIM, אוטומציה של תכן מבנים באמצעות בינה מלאכותית ומערכת תאומים דיגיטליים לניהול הביצוע באתרי הבנייה.

מעבדת VClab משתתפת כיום בשני פרויקטים של האיחוד האירופאי במימון תוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופאי 2020:

CBIM

התוכנית CBIM (Cloud-BIM) היא רשת הדרכה אירופאית בתחום מידול מידע בניין מבוסס ענן. השאיפה היא לחנך את החוקרים לפיתוח מערך טכנולוגיות BIM חדשניות. מערך כזה ישפר את האוטומציה של ייצור והעשרה של תאומים דיגיטליים, ישפר את הניהול, האבטחה והחוסן של תהליכים המופעלים באמצעות BIM, ויגביר את השימוש ב-BIM בתעשייה. דור חדש זה של חוקרים יכול למלא תפקיד מרכזי ביישום נרחב של מוצרי BIM ותהליכים המוקדשים לדיגיטציה של התשתיות הקיימות, ובניהול נכסים בצורה טובה יותר כדי להניב רווחים בקיימות, בפריון ובבטיחות.

BIM2TWIN

תוכנית זו שואפת ליצור פלטפורמת תאומים דיגיטליים לניהול הבנייה, המיישמת את עקרונות הבניה הרזה להפחתת פחת (בזבוז) תפעולי מכל הסוגים, לקיצור לוחות זמנים, להפחתת עלויות, לשיפור איכות ובטיחות, ולצמצום טביעת הרגל הפחמנית. התוכנית מציעה גישה כוללת והוליסטית. היא מורכבת מפלטפורמת תאומים דיגיטליים המספקת מודעות מלאה לפי מצב ומערך נרחב של יישומים לניהול הבניה. כמו כן, התוכנית תומכת בסגנון בנייה של תכנן-עשה-בדוק-פעל (Plan-Do-Check-Act) בלולאה סגורה.

The Prospective and Early-stage LCA lab (PESLL) investigates the life cycle environmental impacts of early-stage technology prior to commercialization to identify environmental hotspots and provide feedback to design of new technology.

עבודת המחקר במעבדה למיקור המונים סביבתי מתמקדת בנושאים ורעיונות העוסקים בפרשנות, כרייה ואינטגרציה של נתונים מרחבים-עתיים נתרמים (מדע אזרחים ומיפוי השתתפותי), שמטרתם להעשיר ולהרחיב את בסיס הידע הסביבתי הקיים ולפתח שירותים מבוססי מיקום חדשים. המחקר עוסק בעיקר באופטימיזציה של מסלולים, קוגניציה סביבתית, העשרת מערכות ניטור סביבתי, שירותים מבוססי מיקום וזיהוי תבניות והתנהגות של עצמים נעים.

מיקור המונים של נתוני מיקום המופקים על-ידי משתמשים טומן בחובו פוטנציאל עצום ועוצמתי למתן מענה לבעיות קיימא ובעיות חברתיות עכשוויות שכלים וטכנולוגיות מסורתיות בתחומי המיפוי והגיאו-אינפורמציה לא מספקות. המחקר במעבדה כולל בחינה ושימוש בנתוני מיקום ממקורות שונים שנוצרו על ידי משתמשים, בין היתר רשתות חברתיות, וזאת כדי לנתח, לאחזר ולחלץ מידע וידע הנוגעים לידע אנושי ולדפוסי התנהגות וניידות. אלה משמשים לפיתוח שירותים מבוססי-מיקום חדשים, לפיתוח טכנולוגיות בר-קיימא חברתיות-טכנולוגיות לקבוצות וקהילות בחברה, ולהבנת ההתנהגות וההתנהלות שלנו בסביבה.